機(jī)電一體化中機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化中機(jī)械系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì)
 2.1概述 2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2.3導(dǎo)向及支撐結(jié)構(gòu) 2.4機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)
與一般機(jī)械系統(tǒng)比較，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的要求：

① 定位精度要高
② 響應(yīng)速度要快
③ 穩(wěn)定性高
???????
????? 常常提出：無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜?BR>機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的三大結(jié)構(gòu)

① 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：考慮與伺服系統(tǒng)相關(guān)的精度、穩(wěn)定性、快速響應(yīng)等伺服特性
② 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：考慮低速爬行現(xiàn)象
③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：考慮靈敏度、精確度、重復(fù)性、可靠性
2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類：
齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠副、滑動(dòng)絲杠副、同步帶傳動(dòng)副、間歇機(jī)構(gòu)、繞性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：
傳動(dòng)精度要高、 響應(yīng)速度要快、穩(wěn)定性高
3、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求：
① 在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要??；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成機(jī)械負(fù)載增大（T電=T負(fù)+Jε）；系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，靈敏度降低；系統(tǒng)固有頻率下降，產(chǎn)生諧振；使電氣部分的諧振頻率變低P20。
② 剛度越大，伺服系統(tǒng)動(dòng)力損失越??；剛度越大，機(jī)器的固有頻率越高，不易振動(dòng)(?????? )；剛度越大，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高。
③ 機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)中阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但阻尼大會(huì)使系統(tǒng)損失動(dòng)量，增大穩(wěn)態(tài)誤差，降低精度，故應(yīng)選合適阻尼。
④ 靜摩擦力要小，動(dòng)摩擦力要小的正斜率；或者會(huì)出現(xiàn)爬行。

4、摩擦
摩擦力可分為三種：
?靜摩擦力、庫(kù)侖摩擦力和粘性摩擦力（動(dòng)摩擦力=庫(kù)侖摩擦力+粘性摩擦力）。
???????
?? 負(fù)載處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，摩擦力為靜摩擦力，隨著外力的增加而增加，最大值發(fā)生在運(yùn)動(dòng)前的瞬間。運(yùn)動(dòng)一開始，靜摩擦力消失，靜摩擦力立即下降為庫(kù)侖摩擦力，大小為一常數(shù)F=μmg，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，摩擦力成線性的增加，此時(shí)的摩擦力為粘性摩擦力（與速度成正比的阻尼稱為粘性阻尼）。
?? 摩擦對(duì)機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的主要影響是：降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度；引起系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)滯后和產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；在接近非線性區(qū)，即低速時(shí)產(chǎn)生爬行。
?? 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，克服摩擦力所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tf與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TK的關(guān)系為0.2TK＜Tf＜0.3 TK
爬行就產(chǎn)生在這非線形區(qū)。
????????? 在使用中應(yīng)盡可能減小靜摩擦力與動(dòng)摩擦力的差值；并使動(dòng)摩擦力盡可能小且為正斜率較小的變化 。
5、爬行
??? 當(dāng)絲杠1作極低的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)2可能會(huì)出現(xiàn)—快一慢或跳躍式的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為爬行。

1）產(chǎn)生爬行的原因和過程?
??? 勻速運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)件1，通過壓縮彈簧推動(dòng)靜止的運(yùn)動(dòng)件3，當(dāng)運(yùn)動(dòng)件3受到的逐漸增大的彈簧力小于靜摩擦力F時(shí)，3不動(dòng)。直到彈簧力剛剛大于F時(shí)，3才開始運(yùn)動(dòng)，動(dòng)摩擦力隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的降低而變小，3的速度相應(yīng)增大，同時(shí)彈簧相應(yīng)伸長(zhǎng)，作用在3上的彈簧力逐漸減小，3產(chǎn)生負(fù)加速度，速度降低，動(dòng)摩擦力相應(yīng)增大，速度逐漸下降，直到3停止運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)件1這時(shí)再重新壓縮彈簧，爬行現(xiàn)象進(jìn)入下一個(gè)周期。
由上述分析可知，低速進(jìn)給爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于下列因素：

??????? ① 靜摩擦力與動(dòng)摩擦力之差，這個(gè)差值越大，越容易產(chǎn)生爬行。
??????? ② 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度K越小、越容易產(chǎn)生爬行。
??????? ③ 運(yùn)動(dòng)速度太低。
????
2）不發(fā)生爬行的臨界速度
??????? 臨界速度可按下式進(jìn)行估算

（m/s）
式中? ΔF-----靜、動(dòng)摩擦力之差（N）；
? K------傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度（N／m）；
? ξ------阻尼比；
? m------從動(dòng)件的質(zhì)量（kg）。
??????? 以下兩種觀點(diǎn)有利于降低臨界速度：
??????? 適當(dāng)?shù)脑黾酉到y(tǒng)的慣性J和粘性摩擦系數(shù)f，有利于改善低速爬行現(xiàn)象，但慣性增加會(huì)引起伺服系統(tǒng)響應(yīng)性能降低；增加粘性摩擦系數(shù)也會(huì)增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化處理。
3）消除爬行現(xiàn)象的途徑（實(shí)際做法）
① 提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度
a．在條件允許的情況下，適當(dāng)提高各傳動(dòng)件或組件的剛度，減小各傳動(dòng)軸的跨度，合理布置軸上零件的位置。如適當(dāng)?shù)募哟謧鲃?dòng)絲杠的直徑，縮短傳動(dòng)絲杠的長(zhǎng)度，減少和消除各傳動(dòng)副之間的間隙。
b．盡量縮短傳動(dòng)鏈，減小傳動(dòng)件數(shù)和彈性變形量。
c．合理分配傳動(dòng)比，使多數(shù)傳動(dòng)件受力較小，變形也小。
d．對(duì)于絲杠螺母機(jī)構(gòu)，應(yīng)采用整體螺母結(jié)構(gòu)，以提高絲杠螺母的接觸剛度和傳動(dòng)剛度。
② 減少摩擦力的變化
a．用滾動(dòng)摩擦、流體摩擦代替滑動(dòng)摩擦，如采用滾珠絲杠、靜壓螺母、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等。從根本上改變摩擦面間的摩擦性質(zhì)，基本上可以消除爬行。
b．選擇適當(dāng)?shù)哪Σ粮辈牧?，降低摩擦系?shù)。
c．降低作用在導(dǎo)軌面的正壓力，如減輕運(yùn)動(dòng)部件的重量，采用各種卸荷裝置，以減少摩擦阻力。
d．提高導(dǎo)軌的制造與裝配質(zhì)量，采用導(dǎo)軌油等都可以減少摩擦力的變化。
6、阻尼??
????? 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮綜合性能指標(biāo)，一般取ξ＝0.5 ~ 0.8之間。
7．剛度
??? 采用彈性模量高的材料，合理選擇零件的截面形狀和尺寸，對(duì)齒輪、絲杠、軸承施加預(yù)緊力等方法提高系統(tǒng)的剛度。
?????? 對(duì)于伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，增大系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度有以下好處：
??? （1）可以減少系統(tǒng)的死區(qū)誤差（失動(dòng)量），有利于提高傳動(dòng)精度；
??? （2）可以提高系統(tǒng)的固有頻率，有利于系統(tǒng)的抗振性；
??? （3）可以增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
???
8．諧振頻率
?????? 對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的最低固有頻率（最低共振頻率）必須大于電氣驅(qū)動(dòng)部件的固有頻率。
???????
??????? 對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，它的固有頻率取決于系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的剛度及慣量，因此在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量降低慣量，提高剛度，達(dá)到提高傳動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的目的。
??????? 一般要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)最低固有頻率WOI≥300rad／s，其他機(jī)械系統(tǒng)WOI≥600rad／s。
9．間隙
???? 對(duì)于系統(tǒng)閉環(huán)以外的間隙，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性無影響，但影響到伺服精度。
???? 對(duì)于系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)的間隙，在控制系統(tǒng)有效控制范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性影響較小，但反饋通道上的間隙要比前向通道上的間隙對(duì)系統(tǒng)影響較大。
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算： （單位：kg·m2）  (1) 圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量????????????????????????????????  (2) 直線移動(dòng)工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 
2.2.4齒輪傳動(dòng)副齒輪總傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)原則:??????? 工作時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的峰值轉(zhuǎn)矩最小；等效均方根力矩最小；電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載加速度最大三種方法計(jì)算。??????? 重點(diǎn)介紹負(fù)載加速度最大原則:上式表明：齒輪系傳動(dòng)比的最佳值就是，JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量正好等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負(fù)載，一半用于加速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。
總傳動(dòng)比分配 (1)最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則 (2)重量最輕原則(3)輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則